CC BY
138
УДК 532.542;532.135
Т. А. Анасова, А. А. Панов, Р. Я. Дебердеев,
Г. Е. Заиков, А. К. Панов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ В ЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКЕ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДВУХСЛОЙНЫХ ТРУБ
С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Ключевые слова: расплав, полимер, соэкструзия, двухслойные трубы, ультразвуковые колебания.
Рассматриваются результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса со-экструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний. Представлена математическая модель для расчета расходных характеристик с учетом геометрии формующего канала и параметров ультразвуковых колебаний. Приведена разработанная конструкция экструзионной головки для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний.
Keywords: melt; polymer; co-extrusion; two-layer pipes; ultrasonic vibrations.
The results of theoretical and experimental research of co-extrusion process in extrusion head for two-layer polymeric pipes manufacturing with the use of ultrasonic vibrations are being considered. A mathematic model for calculation of flow rate characteristics according to molding channel geometry and ultrasonic vibrations parameters is being presented. A developed extrusion head structure for manufacturing of two-layer polymeric pipes with the use of ultrasonic vibrations is being presented.
Разработка теоретических зависимостей расходных характеристик расплавов полимеров при соэкструзии двухслойных труб в условиях воздействия ультразвуковых колебаний
Расплавы полимеров в условиях переработки ведут себя как вязкоупругие среды и степень проявления вязкоупругих свойств зависит, в первую очередь, от геометрических параметров канала. Формующие каналы определяют зависимость эффективной вязкости от частоты ультразвуковых колебаний для расплавов полимеров, которая выражается следующим соотношением [1]:
V = * (1)
•ю 1 , 2 2
1 + ю г
где - эффективная вязкость расплава Па с; Ю -
частота ультразвуковых колебаний, Гц; г- время релаксации, характеризующие скорость спадания напряжения, с
* (2)
V
r = — Е
где Е - модуль упругости среды, Па.
По мере распространения ультразвуковых волн в среде происходит диссипация энергии, уменьшается амплитуда волны. Это явление характеризуется коэффициентом поглощения [2-8]:
р 1(1 + ю2г2) -1 (3)
а = Ю(Е)\ 2(1 +ю2г2)
для случая, когда вязкие силы преобладают, ют > 1, т.е. в случае установившегося изотермического течения имеем
а =
ор
2V
(4)
Величина коэффициента поглощения определяет глубину проникновения ультразвуковых волн в расплав полимера
S= -
а
(5)
Как отмечалось ранее в работах авторов [2-5], глубина проникновения ультразвука существенно меньше поперечных размеров канала.
Следовательно, будем рассматривать воздействие ультразвуковых колебаний только на некоторую часть полимерной массы, которая находится в близости от стенки канала (см. рис.1) При этом, зона без воздействия ультразвука Я2-Я3, зона подверженная воздействию ультразвука Я^-Я^
Согласно предлагаемой модели течения, расход расплава полимера при течении в каналах сложного профиля определяется суммой двух расходов: расхода р1 в канале сечения (Я1 - 5), где не наблюдается влияние ультразвуковых колебаний и расхода р2 в канале сложного сечения толщиной 5, которое повторяет форму канала и испытывает воздействие ультразвука. В первом случае масса полимера характеризуется эффективной вязкостью пэф, во втором - пониженной вязкостью Пю.
Рис. 1 - Схема двухслойного течения расплавов полимеров в коаксиальной формующей втулке
2
Q = Qi + Q2
= _ Q2 -_; ;
; Jo чЭф ; J;
TbSd
- JT' la
q --_ S )f;l8) -+;
; 8 la
; (6) (7)
‘'0 [ 1эф
где а и Ь - коэффициенты формы сечения каналов.
В качестве исходного реологического уравнения состояния приняты выражения: для внутреннего слоя:
2
(Ц =% +а{с (8)
длявнешнего слоя:
^2 =Фй+сг{гг
где (р0 (р’{) - наименьшая текучесть расплава полимера внутреннего и внешнего слоев; осх - постоян-
ный коэффициент, определяемый из экспериментальных данных.
Учитывая, что ; - др “г
2
уравнения состояния примут вид:
реологические
АР Л2 2 i ,( АР
V1 -Vo + «| — I Rг V2 - V0 + «il ■—
R г2(9)
Подставляя зависимости (9) и (l) в уравнение (7) будем иметь (10):
-(Vo
R8 , ,
-7—r—1 V0 +—«;
(r _8)4 Г0 2 1
Однако, как показывают расчеты и проведенные исследования, эта формула носит общий характер и может быть использована для сложных каналов, при использовании которых ультразвуковые колебания проникают по всей длине периметра канала.
Этот фактор зависит от того, каким образом монтируется магнитострикционный излучатель в формующем инструменте. Так, например, в разработанной нами конструкции предлагается использовать пакетный излучатель, снаружи канала, поэтому ультразвуковые колебания будут воздействовать лишь на ту часть полимерной массы, которая контактирует со стенкой дорна (рис. 1).
В связи с этим, нами предлагается в уравнение (10) ввести некоторые коэффициенты К1 и К2, уменьшающие или увеличивающие значения р1 и Р2 в зависимостиот того, на какую часть периметра канала проникает ультразвук. Получить эти коэффициенты достаточно просто.
К = П ,
1 П
гдеП - общий периметр канала; П1 - периметр на котором наблюдается воздействие ультразвука.
Повышающий коэффициент расхода равен
К2=2-К1
Тогда, с учетом предлагаемых коэффициентов выражение (10) примет вид (11):
^ - 1 - 6 _к((-в) (к.((.-в) I 2
Для предлагаемойнами конструкций экстру-зионнойголовки понижающие и повышающие коэффициенты равны соответственно :
K1 =0.75; K2=1.25.
Как показывают расчеты по полученным формулам, при выборе формы сечения каналааку-стических экструзионных головок следует отдавать предпочтения тем, у которых ультразвук оказывает воздействие по всему периметру канала для достижения максимального эффекта воздействия. Предпочтительнее использовать симметричные каналы с плавным срезом углов. Наиболее эффективными в этом плане будут считаться многоручьевые головки. Все выводы были учтены при проектировании конструкции экструзионной головки, работающей в условиях ультразвукового воздействия, конструкция которой приведена в настоящей работе.
Опытно-промышленные испытания экструзионной головки для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний Для проверки приемлемости предложенных теоретических методов расчета параметров при соэкструзии расплавов полимеров в коаксиальных формующих втулках (кольцевых каналах) было проведено экспериментальное изучение многослойного течения расплавов полимеров на опытнопромышленной установке (рис. 2). Она состоит из двух экструдеров: для внутреннего и внешнего слоев. Для внешнего слоя использовался экструдер марки АТЛ-45 с червяком диаметром 45мм и длиной 1125мм, а для среднего слоя - экструдер ЧП-40 с червяком диаметром 40 мм, и длиной 640мм
Рис. 2 - Опытно-промышленный экструзионный агрегат для изготовления многослойных полимерных труб с применением ультразвука: 1 -экструдер АТЛ-45-П; 2 - экструдер ЧП-40; 3 -экструзионная головка; 4 - калибрующая насадка; 5 - охлаждающая ванна; 6 - тянущее устройство; 7 - отрезное устройство; 8 - бункер с устройством для подсушки и подогрева гранул; 9-пневмозагрузчик; 10 - электрощит; 11 - магни-тострикционный преобразователь ПСМ6-22;12 -ультразвуковой генератор УЗГ1-4
В данной работе рассматривается конструкция экструзионной головкидля изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний. Головка, в соответствии с рисунком 3, содержит разъемный корпус 1, в котором расположен дорнодержатель 2 с цилиндрическим участком. Между ребрами 3 дорнодержателя вы-
8
полнены отверстия 4 для прохода расплава, в которых расположены регулировочные винты 5.На входном торце дорнодержателя 2 установлен полу-шаровой элемент 6 с фрезерованными пазами 7, а навыходном конце закреплен дорн 8. На корпусе 1 установлена формующая втулка 9. Дорнсмонтиро-ван с возможностью его центрирования посредством винтов 10 и в нем выполнен канал 11 для охлаждающей среды, связанный с патрубком 12. Между дорном и втулкой образована формующая щель 13.
В корпусе 1 также смонтирован дорн 14 с образованием проточного канала 15 для подачи внешнего слоя расплава и канала 16 для подачи внутреннего слоя расплава. Каналы 15 и 16 расположены наклонно друг относительно друга и сообщены формующей щелью 13.
На наклонной поверхности формующей втулки 9 смонтированы два магнитострикционных излучателя 17 марки ПМС6-2 с возможностью подключения к источнику 18 ультразвуковых колебаний УЗГ1-4.
В магнитострикционные излучатели подается сжатый воздух для их охлаждения. Установка магнитострикционных излучателей в зоне
12 13 11 8 9 10 18
25 22
Рис. 3 - Экструзионная головка для изготовления полимерныхдвухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний
соединения внешнего и внутреннего слоев расплава, позволяет одновременно воздействовать на оба слоя, что увеличивает пропускную способность формующего канала и улучшает качество изготавливаемых труб.
В формующей щели расплав претерпевает уменьшение проявления высокоэластичности экстру-дата, и как следствие этого уменьшается постэкстру-зионное разбухание экструдируемого изделия [10]. В канале 15 установлена решетка 19 с отверстиями 20, в которых смонтированы регулировочные винты 21. Регулировочные винты 5 и 21 выполнены с цилиндрическим рабочим участком. Корпус 1 головки соединен с экструдерами (не показаны) посредством фланцев 22 и 23. Для подачи расплавов от экструдеров предназначены каналы 24 и 25.
Экспериментальные исследования проводились на опытной установке с экструдером АТЛ-45, имеющим червяк диаметром 45 мм и длиной 1125 мм для продавливания внутреннего слоя расплава полимера и экструдера марки 4П-40 с червяком диаметром 40 мм и длиной 640 мм, для подачи внешнего слоя расплава полимера.
Получали двухслойную полимерную трубу с наружным диаметром 25мм, и внутренним диаметром 21мм. Для внутреннего слоя трубы использовался полиэтилен низкого давления марки 277-73, для внешнего слоя трубы применялся полиэтилен высокого давления марки 15802-020.
Оптимальный режим экструзии указанных полимеров при температуре 423К и создаваемом давлении экструдерами в пределах 3,5-4,5 МПа, при фиксированной частоте наложения ультразвуковых колебаний 18,5; 21,6; 22,1 и 23,5 кГц на расплав слоев расплавов, создаваемые ультразвуковым генератором марки УЗГ1-4.
На рис.4 представлены теоретические значения расходарасплавов полимеров при изготовлении двухслойных труб с учетом ультразвуковых колебаний в сопоставлении с опытными данными. Расхождение при этом составляло не больше 7%.
а
Рис. 4 - Зависимость расхода ПНД и ПВД от градиента давления при двухслойной соэкструзии трубы, при температуре 423К (а) и 443К (б): - без УЗК; • - 18.5 кГц; А - 21.6 кГц; Х - 22, 1 кГц; ■ -23,5 кГц
Таким образом предложенную теорию можно рекомендовать для расчетов экструзионных головок при изготовлении полимерных многослойных труб.
Технический результат, обеспечиваемый экструзионной головкой для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний, выражается в упрощении конструкции и повышении производительности и качества получаемых изделий, благодаря выбору оптимальной геометрии поперечного сечения формующих каналов.
Литература
1. Михайлов М.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.И. Молекулярная акустика. М.: Наука, 1964. 514с.
2. Панов А.А. Многоручьевые экструзионные головки и методы интенсификации процессов экструзии. Уфа: Гилем, 2008. 192 с.
3. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. СПб.: Профессия, 2005. 480 с.
4. Панов А.К., Дорохов И.Н., академикКафаров В.В. Закономерности процесса течения расплавов полимеров в условиях ультразвуковых колебаний // М.: Доклады Академии наук СССР, 1988. Т.303. №1. С.155-158.
5. Панов А.К. Влияние наложения ультразвука на процесс течения расплавов полимеров// Реология, процессы и аппараты химической технологии. Волгоград: Изд-во ВПИ, 1983. С.100-103.
6. Kiselyova O.F., Panov A.A., Minsker K.S., Panov A.K. and Zaikov G.E. Design and method of calculation of acoustic extruder head for manufacturing of long polymeric profile products// Leading edge research on polymers and composites, New York: Nova Science Publishers, 2004. P.71-76.
7. Абрамов О.В., Градов О.М. Стационарное акустическое течение вязкой жидкости под воздействием мощного ультразвука// Материаловедение 2007, №11. С.2-8.
8. Абрамов В.О., Булычев Н.А., Градов О.М., Кистерев
Э.В., Муллакаев М.С. Исследование особенностей ультразвукового воздействия на гетерогенные системы жид-кость-дисперсные включения газовой, жидкой и твердой фазы// Современные проблемы общей и неорганической химии. М.: 2009. С.479-483.
9. Патент РФ №2433913 Экструзионная головкадля изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний/ Панов А.А., Анасова Т.А., Жернаков В.С., Панов А.К.// 2011. Бюл.№32.
10. Панов А.А., Анасова Т.А., Заиков Г.У., Панов А.К. Влияние ультразвука на характеристики расплавов полимеров при экструзии// Теоретические основы общей химической технологии. 2011. Том 45. №4. С.461-467.
© Т. А. Анасова - канд. техн. наук, доц. каф. математики БГАУ; А. А. Панов - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. Стерлита-макского филиала АН РБ; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; А. К. Панов - д-р техн. наук, проф., член-корр. АН РБ, зав. отделом ГАНУ ИПИ.
